（机械工程专业论文）一种电动车用三档变速器的研发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 内燃机汽车的大量使用加剧了世界环境的恶化和石油资源的不断消耗殆尽， 促使世界各国开发新能源汽车，为电动汽车的发展提供了一个广阔的空间。目前， 电动汽车多采用固定速比传动，这虽然增加了电动汽车的驱动扭矩，但在平直路 面上高速行驶时会更加耗电，不能同时兼顾汽车的高速巡航和低速爬坡能力。本 文研究旨在开发一种电动车用三档自动变速器，此变速器命名为p a m t 变速器， 其档位有低速档、高速档和空挡。 p j 蝴t 变速器内部齿轮传动部分采用单排行星齿轮传动，因此变速器体积小、 质量轻。p j 蝴t 的换挡部分由换挡电机、丝杆螺母副、拔叉、滑动花键等组成， 通过程序控制换挡电机和离合器的运动进行平顺换挡。 本文重点阐述p a m t 变速器的工作原理、设计思路，并参照长安悦翔纯电动 轿车的技术参数，提出具体的设计要求。并按照机械设计手册、机床设计手册等 相关工具书，对该变速器的关键参数进行设计和计算，根据计算结果进行关键零 部件的选型。通过分析电动汽车行驶工况的几种换挡情况，初步分析与探索了变 速器换挡控制系统，为今后电动汽车换挡控制系统的建立提供依据： p a m t 是一种新型变速器，无论在整体结构、工作原理和控制策略等上都不 同于传统汽车变速器。为了换挡顺畅，p 蝴t 变速器换挡机构的花键采用一种新 的结构端面倒锥，可以为相关设计借鉴。 关键词：电动汽车，变速器，设计，行星齿轮，花键 a b s t r a c t t h e 、) l r i d eu s eo fi n t 锄a 1c o n l b u s t i o ne n 西n ec a ra g 野w a t e st l l ed e t e n o r a t i o no 士 9 1 0 b a le n v 沛n m e n ta n dm ec o n s t a n td 印1 甜o no fo nr e s 0 1 1 r c e s ，计l i c ha l s od r i v e st h e w h o l ew o r l dt od e v e l o pn e w e i l e r g yv e h i c l e s ，t h i sr i 9 0 r o u s s i t i l a t i o na l s op r o v l d e sa m o r ev a s ts p a c ef o rm ed e v e l o p m e n to fe l e 碱cv e h i d e a tp r e s e n t ，m ee l e 谢c v e h i c l e m o s tu s ea 仃强s m i s s i o n 、) l ，i mf i x e d 枷o ，m i s 缸a n s m i s s i o na l t h o u g hi n c r e a s e d 埘v e t o r q u eo fa u t o m o b i l e ，b u ti n 也es t r a i 咖r o a dw h e nh i 曲一s p e e dc o n s 眦e sm o r ep o w e r ，n c a i l ，t 西v ec o n s i d e r a t i o nt 0 也eh i g h s p e e dc a r c a nc m i s ea n d1 0 ws p e e dc l i i l l b i n ga b i l i t y t l l i ss 砌yi st od e v e l o pan e wk i n do f 吐l r e eg e a r sa u t o m 撕c 的n s m l s s l o nt o re i e 咖c v e h i c l e m e 仃a n s m i s s i o ni sn a m e dp 一舢t ，i th a s l o w s p e c dg e a r ，t o pg e a ra n d n e u 仃出 1 h ei n t e n l a lg e a rt r a n s m i s s i o np 耐o fp a m t 仃孤s l i l i s s i o na d o p t ss i n g l er o w p l a n c t a r yg e a r 乜a n s m i s s i o n ，s ot 1 1 e 乜a n s m i s s i o nh a ss m a l lv o l u m e a n dl i 曲tq u a l i t y t h e s h i f t1 ) a r to fp a m tm a d eu po fs h i rm o 屯0 r ，s c r e wn u tp a i r ，s h i m n gf o r k ，s l i d i n gs p l i n e e t c ，a n di tu s ep r 0 酉锄t 0c o n 昀l 也em o v e 玎托n to f s h i f tm o t o r a 1 1 dc l u t c h t os h i n t h i sa n i c l ef o c u s e so nc l a 一每t l l ew or ! k i n gp r i n c i p l e ，d e s i g ni d e a so f 血ep a m t 也a n s m i s s i o n ，a n dr e f - e r e n c et ot l l et e c h l l i c a lp a r a m 酏e r so fc h a i l g a i ly u e x i a ne l e 嘶c v e h i d e ，p r o p o s i i l gs p e c i 矗cd e s 酒r e q u i r e m 吼t s a c c o r d 崦w 池m em e c h a n i c a ld e s 啦 ma n i l a la n dm a c h i n ed e s i 孕m a n u a la 1 1 do 廿l e rr e l a t e db o o k s ，w ed e s i 伊a n dc a l c u l a t e m ek e yp 猢e t e r so fp a m t 衄a n s m i s s i o n a c c o r d i n gt oc a l c u l a t e dd a t w es e l e c tk c y p 越so f m e 仃a i l s m i s s i o n t h r o u g l lt 1 1 e 觚a l y s i so faf c wl ( i n d so fs h i rt h a tm i 曲tb e c o n d ：u 曲e di n 也ed r i v i n go fa nc l e c 缸cc a r ，w ea l s oc o n d u c t e dap r e l i m 逾a r ya n a l y s i sa n d e x p l o r a t i o nt o 廿l e 咖l s m i s s i o ns h i f lc o i 岫1s y s t e m ，w h i c hp r o v j d e df o l l n d a t i o nf 斫t l l e f o u n i i a t i o no ft l l ee l e 嘶cc a rs h mc o n 仃0 1s y s t e mi nm e 如t u r e p a m t 垤吼s m i s s i o ni san e wd e s i g n ，s oi t i sd i 岱昌r e l l tw i mt r a d i t i o n a lc 骶 仃a n s m i s s i o ni nt h ew r h o l es 仃u c 缸e ，w o r kp 咖c i p l e sa i l d c o l l t r 0 1s 仃a t e 酉e s h lo r d e rt o s h i rs m o o t l l l v t 1 1 e r ea r es o m ei n n o v a t i o n si n 血es 臼1 l c t i l r e o fs p l i n ew 1 1 i c hi ns h i r i n s t i t u t i o n s _ 1 n dr e v e r s e dc o n e ，i tc a nb eu s e df o ro m e rr e l e v a n tr e f 打e n c ef o rd e s i g n k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，锄n s m i s s i o n ，d e s i 盟，p l a n e t a r yg e 码s p l i n e u 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 近年来，全球石油资源日趋紧张，油价不断攀升，另一方面，传统汽车以内 燃机为动力，尾气中含有大量一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、碳氢化合物( h c ) 和氮氧化合物( n o ) 等物质，不仅对大气造成了严重污染，还加剧了温室效应， 对人们的身体健康造成了极大的危害。据美国行业权威杂志w 矾s a u t o 调查显示， 2 0 1 1 年8 月1 6 日全球汽车保有量突破1 0 亿辆。这造成的严重后果是汽车排出的 尾气消耗全球石油产量的5 5 ，产生了占全球大约2 5 的c 0 2 。现有的内燃机动 力汽车技术改进速度太慢与地球能源相对匮乏、环境日趋恶化的矛盾最终必然会 走向无可调和，而新能源汽车是解决这个矛盾的关键。 世界各国都为推动新能源汽车制定了各种不同的政策推动其发展。我国对新 能源汽车的总体规划是投资千亿，2 0 2 0 年累计有5 0 0 万辆新能源汽车。美国提出 2 0 1 5 年普及1 0 0 万辆插电式混合动力汽车的目标。欧盟将发放7 0 亿欧元贷款支持 制造商生产清洁与节能汽车。德国政府提出2 0 2 0 年普及1 0 0 万辆纯电动汽车和插 电式混合动力汽车的目标。一日本投资2 4 5 亿日元用于下一代汽车蓄电池的开发 ( 2 0 0 7 年 2 0 1 1 年) ，2 1 0 亿日元针对蓄电池创新的先进科学研究( 2 0 0 9 年2 0 1 5 年) 【1 】o 新能源汽车主要有四类：纯电动车、混合动力汽车、燃料电池电动车、太阳 能电动车。纯电动车由车内布置的蓄电池输出电力给电动马达，带动汽车运动， 具有电能利用率高、零污染、噪声低、汽车构造简单、方便维修与保养、电机无 级变速、乘坐舒适、性价比高。但由于目前蓄电池技术瓶颈的限制，纯电动车续 航里程段、充电时间长、无法实现批量生产等缺点使其制造成本过高，无法量产。 混合动力电动汽车既可以通过内燃机输出动力，也可以由蓄电池输出能量的汽车。 混合动力汽车很好地克服了纯电动汽车续航里程段，充电时间长等缺点，但是双 动力系统的制造成本较高，动力能源最终依靠内燃机燃烧获得，在环保方面没有 实质性的突破。混合动力汽车只能是从内燃机汽车向纯电动汽车的过渡阶段。燃 料电池电动汽车采用燃料电池作为电源，燃料电池一般以氢气作为燃料，具有零 污染排放，低噪声，易于驾驶，同时续航里程长等特点。但其缺点也很明显，以 燃料电池为动力源的车辆的动力性、可靠性和制动能量回收方面有着明显的缺陷。 太阳能汽车可以将太阳能转化为电能，并以此驱动电机运转。其优点是：彻底采 用可持续能源：零污染；能源利用率高。但缺点也很明显：成本高、受天气因素 制约2 卅。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 无论何种电动汽车，都是由电动机产生牵引力矩带动汽车运动，因此选择一 个合适的减速器安装在电动机处，可以增加电动汽车的扭矩，减少电动汽车在启 动和爬坡时对电动机的压力；也节约了电动汽车在爬坡和启动时需要的能量；采 用多个挡位的减速器可以使电动汽车的变速和换挡更灵活。 现代电动汽车中使用的变速器大部分采用固定速比的一档变速器【5 ，这种变速 器的好处是结构简单、制造成本低，可以增加电动汽车的驱动扭矩，但变速不够 灵活。电动汽车在起步和爬坡时通过这种1 挡固定速比可以降低对电机峰值转矩 的要求，但是电动车在平路上高速行驶时，电机运行在恒功率区必须提供更高的 运行速度，才能满足车辆的最高车速的设计要求。因此采用固定减速比的一档减 速器虽然降低了对电机峰值转矩的要求，但提高了对电机最高转速的要求。同时， 采用固定速比的一档变速器电机利用效率较低，浪费了大量的燃料，燃料经济性 不高，降低了电动汽车的续航里程。同时为了满足汽车在平直路上高速行驶时的 最高车速，变速器速比的选择不能过大，因为电机的峰值转速很难提升。牵引电 机为了保证电动汽车高速行驶，必须长期处于高转矩、大电流的工作状态下，使 得电机利用率大大降低，浪费了大量的电池能量，从而缩短了电动汽车的续航里 程。通过增加变速器的档位，使得电动车在起步和爬坡时拥有一个较高减速比的 起步档，降低电动车起步和爬坡时对电机转矩的要求，而在电动汽车在直路上高 速行驶时，又可以换到一个减速比较低的高速档位，降低电动汽车对电动机转速 的要求，从而能更好地利用电机的能量，提高电动汽车的燃油经济性，从而增加 电动车的续航里程。与固定挡变速器相比，多挡变速器更加灵活，更适用于电动 汽车，是以后电动汽车变速器发展的趋势。 本文的目标是设计一种电动汽车用的三挡变速器，具有起步档、高速档和空 挡。通过一个单级的行星齿轮传动机构实现三个档位的变换，其结构简单，占用 空间小，且能较好使电动汽车在起步和爬坡行驶时降低对电机转矩的要求，并能 在电动汽车高速行驶时降低对电动机峰值转速的要求，使电动汽车更有效率的利 用电机，降低了电动汽车的电力消耗，增加了续航里程。 1 2 论文相关领域发展与研究现状 1 2 1 变速器发展现状 第一辆汽车诞生于1 8 8 6 年，但是当时的汽车并没有装变速器【6 】，一直到1 9 0 2 年，法国人制造出了第一辆带有变速器的汽车。由于汽车广泛采用活塞内燃机， 该内燃机转矩转速范围变化小，但复杂的路况条件要求汽车驱动力和速度能在较 大范围内变化，因此汽车上加入了变速器。世界上各大汽车厂商使用最多的汽车 变速器主要有：手动变速器( m t ) 、液力自动变速器( a t ) 、电控机械式自动变速 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 器( 舢v r r ) 、机械式无级自动变速器( c v t ) 和双离合器自动变速器( d c t d s g ) 【9 】 o 手动变速器( m t ) 手动变速器在换挡时需要驾驶员人为地操纵变速杆将变速器内各挡齿轮变换 到正确的位置，实现换挡。2 0 世纪6 0 年代前，大部分的汽车变速器都只有3 个档 位，且只有高速档才配备同步器，换挡的操作比较困难。目前的手动挡汽车变速 器大多数都采用了5 挡，甚至更多，档位的增加有利于节约燃料，且大多数档位 都配备了同步器。 液力自动变速器( a t ) 液力自动变速器出现自2 0 世纪4 0 年的美国制造汽车。它是目前全球使用最 多，也是占市场份额最大的一种变速器。它的传动比是通过汽车行驶速度和加速 踏板踏入量之间的关系决定的，并且能利用油压控制机构进行自动控制。液力自 动变速器( a t ) 对外部载荷的变化能够进行自动调节和自动适应，所以采用( a t ) 的车辆起步过程非常平稳，加速均匀；( a t ) 具有减振作用，能大大降低传动系的 动载和扭振，延长传动系统的使用寿命，大大提高了乘坐舒适性、行驶安全性r 7 1 。 常用的液力自动变速器( a t ) 由液力藕合器或液力变矩器、液压操纵系统和行星 齿轮传动系统等组成【8 】。液力耦合器( 变矩器) 的作用是通过利用液体的流动性， 把发动机的动力传递给齿轮传动系统；行星齿轮传动系统利用自身的传动特点起换 挡的作用，从而改变发动机的转速和转矩；液压操纵系统根据汽车行驶的实际需要 通过改变液压，操纵行星齿轮系统，使其换挡，可以加、减挡或挂倒档，以控制 汽车的行驶速度和方向。 电控机械式自动变速器( a m t ) 电控机械式自动变速器( a m t ) 在手动齿轮变速器的基础上，加装一个微电 脑控制装置，这个微电脑控制装置使离合器与油门配合控制并使选档换挡的控制 过程自动化。a m t 在原有手动变速器的基础上增加一个电控换挡装置，从而相对 于液力自动变速器( a t ) 节省了制造费用，并相对于手动变速器( m t ) 提高了传 动效率。a m t 与a t 相比，既有自动换挡、变速的优点，又有手动变速器( m t ) 的传动效率高、制造成本低、整体结构简单、制造装配容易的优点；电控机械式自 动变速器( 舢t ) 装有p l c 电路控制系统，在行驶状态改变时，可以自动选择最 佳的传动比以适应其变化的行驶状态，从而提高汽车的动力性能。在加速和起步 过程中非常平稳，其乘坐的舒适性很高。舢订t 还能与发动机的控制相结合，能够 及时改变油料供给等，大大地提高了燃油的经济性。a m t 同时还具有齿轮传动固 有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠性高等优点，并可以实现手动和自动两种 模式选择，有较强的可靠性和适应性。机械式自动变速器( 蝴t ) 的主要缺点是 重庆大学硕士学位论文1 绪论 其具有动力中断现象。动力中断是指变速器在换挡时有一个离合器从分离到离合 器结合的过程，离合器分离期间变速器经历松挡、选档、挂档，在整个换挡过程 中内燃机发动机同时也在输出功率，但并不能传递到输出轴，因此换挡期间的油 耗就白白浪费了，换挡时间越长这个油耗和车辆的速度降低就越大。 机械无级变速器( c v t ) 机械无级变速器( c ) 是由荷兰人发明的，这种变速器省去了复杂而笨重 的齿轮组合变速传动装置，它只用两组带轮进行变速传动。通过改变驱动轮与从 动轮带接触的半径来进行变速，这种设计构思十分巧妙。由于c v t 可以实现无级 变速，因此它可以使传动比与发动机的工况做最优的匹配，可以提高整车的燃油 经济性和动力性，提高驾驶员操作的舒适度和乘客乘坐的舒适度。但是c v t 也有 其缺点，c v t 的传动带容易磨损，并且不能承受较大载荷，传动带能够传递的扭 矩也很有限，一般用于小排量车型【9 】。 双离合器式自动变速器( d c t ) 双离合器式自动变速器( d c t ) 相当于采用了两套变速器和两个离合器，当 一个变速器处于工作状态时另一变速器空转，通过两个离合器之间的切换来实现 两变速器交替进入工作状态，因此可在动力切断时间很短的情况下迅速完成换挡， 换挡时间极短，一般不会超过0 2 s 。由于d c t 换挡时间极短，基本上因此d c t 并无一般自动变速器需要切断动力才能换挡的问题【10 1 。双离合器换挡实现了无动 力中断过渡，使汽车换挡舒适度提高，转矩传递连续；无液力变矩器，其效率也 比液力自动变速器( a t ) 高；d c t 自动换挡由其自带的电子系统进行控制快速换 挡，因此d c t 的加速性能较好。但d c t 也有其不足之处：由于两个离合器交替 工作时间极短，因此需要非常精确的控制，这对d c t 的控制系统提出了很高的要 求，d c t 的控制系统往往很复剁1 1 】。 1 2 2 行星齿轮传动技术 行星齿轮传动将定轴传动变为动轴线传动，使太阳轮的功率分流到数个行星 轮上，让数个行星轮同时承受载荷，同时合理应用内啮合，以及采用合理的均载 配置，使行星齿轮传动具有许多突出的优点【1 2 。1 3 】。这些优点主要是行星齿轮减速 箱效率高、体积小、重量轻、结构紧凑、传动功率大、负载能力高、传动比范围 大。由于有这些优点，行星齿轮传动技术应用非常广泛，在变速器、汽车、船舶、 航空、冶金等领域非常常见。 行星齿轮技术在日、德、英、美等发达国家受到重视，这些发达国家在行星 齿轮传动的结构优化、传动性能、传递功率、转矩和速度等方面的研究处于领先 地位。同时发达国家一些新的行星齿轮传动技术也纷纷诞生：封闭行星齿轮传动、 行星齿轮变速传动和微型行星传动等都在现代化机械传动设备中获得了非常成功 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的应用【1 4 】。 行星齿轮机构由中心轮、行星轮和系杆组成。在传动时，轮系中有一个或一 个以上的齿轮轴线绕位置固定的几何轴线回转，其中，只有一个自由度的轮系称 为行星轮系，有两个自由度的轮系称为差动轮系。差动轮系与行星轮系统称为行 星传动。行星轮系可根据采用的基本构件不同分类：2 k - h ，3 k 和k h v 三种。k 代表中心轮，h 代表系杆，v 代表输出轴。如图1 1 _ l - 霸 - j 。 - _ h 2 ：一 k i 卜_ k 龋 一 l 掌霭 h i k 、 a ) 签h 瓤构b ) 0 搬概构c ) 2 | i 蹑 巍梅d ) 3 k 祝掏e ) 洲_ v 机构 图1 1 行星齿轮机构分类 f i g 1 1t h ec l a s s i 丘c a t i o no f p l 踟e t a r yg e a rm e c h a n i s m 行星轮系与定轴轮系相比，具有体积小、重量轻、传动比范围大、效率高和工作平稳 等优点，同时差动轮系还可以用于速度的合成与分解或用于变速传动，所以行星 传动的应用日益广泛。但缺点是结构较复杂、制造精度要求较高、制造安装较困 难【15 1 。 1 2 3 国内外同步器发展现状 在变速器换挡过程开始时，输入齿轮与带啮合的输出齿轮间的旋转速度并不 相同，档位变换时必须使他们二者的旋转速度达到一致才能进行换挡，因此存在 一个如何使他们同步的问题。如果两个转速不一样的齿轮强行啮合，必然会发生 齿面间的冲击碰撞，使齿轮表面受损，缩短齿轮的使用寿命，严重的情况下还会 导致齿轮齿面断裂，对于行驶中的汽车这是非常危险的。旧式变速器中没有同步 器，因此其在换档时对驾驶员的要求较高，升档时驾驶员需在空档位置停留片刻， 减档时要在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。由于这个操作比较复杂，很 难精确掌握，而且就算司机非常熟练能够准确换挡，也会因为换挡过程复杂而导 致很容易产生疲劳。在2 0 世纪4 0 年代，设计师设计了”同步器”，通过在变速器换 挡机构上安装同步器，使换挡过程中，通过摩擦带动被啮合的齿轮速度上升，达 到转速一致后才进行啮合【l 9 1 。 现代汽车上使用的变速器，无论是手动变速器、机械式自动变速器、双离合 重庆大学硕士学位论文1 绪论 器式自动变速器和液力自动变速器都应用了同步器。而目前汽车变速器上的同步 器大部分都采用惯性锁销式同步器。这种同步器由接合套、同步锁环等组成，通 过同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦带动齿轮转速达到 一致实现同步。 同步器的齿环由于经常的摩擦，需要采用耐磨材料制造，国外从2 0 世纪 7 0 年代开始对同步器齿环用材料进行了研究，我国开始于2 0 世纪8 0 年代。 由于我国的车型大部分都是从国外引进的，因此对于同步器齿环材料标准或 技术规范并未制定，企业大多数参照国外标准进行设计。 1 3 本论文的研究任务 本论文在2 k - h ( n g w ) 型行星传动减速器的基础上增加一种同步器和换挡机 构，结合差动齿轮传动技术，提出一种用于小型电动汽车上的差动式的电控机械 自动变速器( p 蝴t ) ，这种自动变速器的目标用户是纯电动小型汽车。并完成其 机械部分总体结构的设计，零件的设计或选用与分析。具体任务如下： 研究现有手动和自动变速器的特点，结合差动传动技术，提出p a m t 差动 式电控机械自动变速器构想。 参照长安悦翔纯电动车的技术参数，提出具体的设计要求。提出合适的小 型纯电动汽车驱动系统的布局，在有合理的驱动系统布局基础上结合单排行星齿 轮调速以及差速传动的原理，设计p 一黼变速器总体结构。 根据计算得到的相关数据，参照机械设计手册以及相关资料设计计算 p a m t 变速器机械部分零件的设计、选用并绘制c a d 工程图。 对p a m t 变速器换挡机构在换挡过程中可能会遇到的问题进行分析，并针 对其中的问题提出解决方法。 对电动汽车换挡过程进行分析，并初步设计电动车换挡控制系统，为今后 变速器的进一步研究提供参考。 6 重庆大学硕士学位论文2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 2 1 电动车驱动系统规划 电动汽车采用电动机驱动，用蓄电池、燃料电池、电容器或者飞轮作为相应 的储能装置，区别于传统燃油汽车的使用液态汽油或者柴油作燃料，内燃机驱动。 因此电动机的动力传递方式、驱动系统布置等与普通的内燃机汽车有很大的区别。 电动汽车的动力传递方式多，驱动系统布置可以比内燃机汽车更灵洲2 0 1 。 2 1 1 纯电动车结构介绍 电动汽车的基本结构可分为三个子系统：电力驱动子系统、主能源子系统和 辅助控制子系统。如图2 1 所示。 加 剖动 蚴黝舔统 印 墙板 么。 电子控制器h 功率转化器h 电机h 机械传动装置么_ 一曲 匿踏板j 一1 、， 腿蓁繇h _p 鬻力h 动搿卜 一 j 、 ti 方向盎 温度控制单 能量单元 元 能源子系统t 辅助子系统 能源 图2 1 电动汽车基本结构 f i g 2 1t h ee l e c 在i cc 盯b a ：s i cs 臼m c m r e 双箭头线表示机械连接，粗线表示电气连接，细线表示控制信号连接。电驱 动子系统中，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通 断，功率转换器的功能是调节电机和电源之间的功率流。能量管理系统和电控系 统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监 重庆大学硕士学位论文2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并 提供必要的动力。 与内燃机汽车相比，电动汽车的结构更加灵活 2 1 1 。内燃机汽车的动力主要通 过刚性联轴器和转轴传递，而电动汽车的动力靠柔性的电线与机械结合传递。 电动车有4 个关键部件：驱动电机、调速控制器、储能装置、车载充电器。 纯电动汽车的时速快慢和启动速度取决于驱动电机的功率和性能，其续航里程长 短取决于其储能装置的电容量大小，车辆运行舒适度依赖于调速控制器，充电的 快慢取决于车载充电器。电动车的储能装置可以有很多种，如蓄电池、燃料电池、 电容器、高速飞轮等，其密度和尺寸不同，影响电动车的质量和体积。电动汽车 的驱动电机目前有直流有刷、无刷、永磁、电磁之分，还有交流步进电机等，他 们的选用与汽车的配置、用途、档次有关。 2 1 2 电动车驱动系统设计 电动汽车驱动系统是连接驱动电机和车轮的部件，主要起换向与变速作用。 传统的内燃机汽车变速器有手动变速器( m t ) 、液压自动变速器( a t ) 、电控机械 式自动变速器( a m t ) 、机械无级变速器( c v t ) 和双离合器式自动变速器( d c t ) 。 对于电动汽车，由于驱动电机的转矩和转速可以采用电子控制器控制，因此电动 汽车驱动系统的设计灵活多变，既可以采用手动变速器或自动变速器，也可以用 电子驱动器控制电动机直接变速瞄】。采用不同结构形式的电动汽车电驱动系统有6 种，如图2 2 所示。 厂( ) 一 ； 驴 i 憎卜 i - c 3 一一羔 a c b 厂( ) i i l l i i - ( 一一一 d 国里 重庆大学硕士学位论文2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 厂o 一四1 厂o 一蹄1 l 口一旦显- i | - 口旦田- | 这六种电驱动的结构形式中，除了( e ) 图无变速器，直接通过2 个电机驱动 车轮，其余5 种结构都布置了固定挡或多挡变速器。图中f g 代表固定速比变速箱， 而g b 代表两档或两档以上的变速器。 在电动车电驱动系统中，电机处布置一个固定减速比变速箱，这种固定减速 比的变速箱可以提高电机的输出扭矩和降低因负载引起的惯量，同时增加电动汽 车起步和爬坡时需要的驱动扭矩，降低了汽车对电机的最高转矩的要求，并降低 了电动汽车起步和爬坡时的能量消耗。但是采用固定速比的变速箱也有其缺点： 虽然降低了对电机最高转矩的要求，一但汽车在平直路上高速行驶时，为了 达到最高车速，提高了对电机峰值转速的要求； 高速行驶时电机利用效率较低，过大的扭矩造成大量燃料的浪费，导致其 燃料经济性不高，降低电动汽车的续航里程； 固定速比越大，电动汽车在平直路上高速行驶时的最高车速越低。 增加变速器的档位，可以有效提升电动汽车的性能，使其在起步和爬坡时拥 有一个较高速比的起步档，驱动电机不需要太大的输出转矩就能满足电动车起步、 爬坡时高驱动扭矩的要求；而电动汽车在直路上高速行驶时，又可以换到一个速 比较低的高速档位，使电动机转速不需要太高就能满足电动汽车最高车速的要求， 从而能更好地利用电机的能量，提高电动汽车的燃油经济性，从而增加电动车的 续航里程。与固定挡减速器相比，多挡减速器更加灵活，更适用于电动汽车。因 此本文电动汽车的电驱动系统采用( c ) 图所示的布置形式。 2 2 适合p a m t 的电动汽车基本参数选取 2 2 1 适合p 蝴t 的电动汽车驱动系统的基本要求 p 伽t 变速器主要为中低档的微型和小型汽车设计。电动汽车的各项性能参 数按照长安悦翔纯电动车( 图2 3 ) 为模版进行计算，但长安悦翔纯电动车采用固 定速比变速箱，因此本文设计的p 叫蝴t 三挡变速器能使长安悦翔电动车的性能有 重庆大学硕士学位论文 2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 较大幅度的提升。对于电动汽车驱动系统需要实现的基本功能是根据中、低挡小 型内燃机汽车行驶需要满足的要求来设计【2 3 1 ，其基本要求如下： 电动车需具有较广的车速范围和较大的爬坡扭矩。在平坦的直路行驶时， 电动车应具有较高的速度，能满足汽车高速行驶的要求。在起步和爬坡时，电动 车在低速行驶状态下电动机能输出较大转矩，能够满足电动车爬坡度3 0 的要求； 电动车应设置空挡，在必要时能够中断传动系统的动力传递； 该车两侧驱动车轮具有差速功能； 该车具有倒档功能。 图2 3 长安悦翔纯电动车 f i 9 2 3 c h a i l g a ny u e x i a i l gp u r ee l e c t r i cv e h i c l e 2 2 2 适合p a m t 的电动汽车驱动系统布局 p 蝴t 变速器是在单级行星轮传动的基础上进行改进，增加电控自动换挡装 置的多级变速器。电动汽车在换挡的过程中，p a m t 的换挡结构需要动力中段输 入，因此，在电机与p a m t 变速器之间应安装一个离合器。由于电动机的输出特 性，在启动时可以在很短时间内就达到额定转矩，与内燃机汽车需要比较长一段 时间才能达到较大输出功率不同，因此有些电动车也可以直接通过电机的启动或 停止来控制动力中断。 使用p a m t 的电动车驱动系统布置如下图2 4 所示： 图2 4p 一圳t 电驱动系统结构形式 f i g 2 4t h e 妇l c t i _ 鹏锺蜘乳a m te l 酏妇蕊v e 内撇 1 0 重庆大学硕士学位论文2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 图中m 代表电机，c 代表离合器，p 。a m t 代表p a m t 差动式电控机械式变 速器，d 代表差速器。其动力传递由蓄电池提供能源给电动机，使电动机通过 p a m t 差动式电控机械变速器将动力传输给车辆的运动执行机构。 通过电控系统控制p a m t 换挡，n a m t 可以实现2 个速比的不同档位。车 辆在起步、爬坡需要犬驱动扭矩或者下坡、刹车需要一定的制动扭矩时，控制变 速器挂低速挡，实现起步或爬坡时对电机增加扭矩。车辆在直路高速 _ 亍驶时，挂 高速挡，实现高速行驶。制动停车时，可以在高速挡制动，然后换空挡停车。倒 车时只需将电机反转，换低速挡倒车。 2 2 3 电动机参数计算 在确定电机参数时，一般需要考虑以下几点：车辆在起步和爬坡挡时电机所 需要的输出扭矩和输出功率的最高值；车辆在高速挡行驶时，电机所需要的额定 功率和最高转速 2 4 1 。参考长安悦翔纯电动汽车的性能参数( 表2 1 ) ，给定电动 汽车参数如下：电动汽车中安装有差速器，差速器的传动比为4 ，变速器爬坡挡减 速比= 5 ，变速器高速挡减速比f ，= 1 ，机械传动机构传动效率”= 0 9 5 ，汽车驱动轮 胎半径f o 2 7 m 。一般路面滚动阻力系数仁0 0 1 4 。空气阻力系数g d = 0 3 2 。车辆 迎风面积a = 1 8 3 m 2 。整车质量为1 5 0 0 k g 。设定爬坡速度为3 0 k m m ，爬坡度2 5 ， 角度1 4 。汽车高速行驶时最高车速为1 3 0 k m 1 1 。 表2 1 长安悦翔纯电动桥车参数表 长宽高( n l m ) 4 3 6 0 1 7 1 0 1 4 7 5 轴距( m m ) 2 5 1 5 1 4 7 5 1 4 6 5 轮距( 前后m m ) = 1 4 0 0 整备质量( k g ) 5 乘员数( 人) 类型 永磁同步交流电机 额定峰值功率( k w ) 2 5 6 0 驱动电机 3 5 0 0 7 5 0 0 额定最高转速( r p m ) 1 7 0 最大扭矩( n m ) 类型磷酸铁锂动力电池 额定电压) 3 4 0动力电池 9 0 容量( a h ) 重庆大学硕士学位论文2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 最高车速( 虹油) 1 3 0 续驶里程( k m ) 2 0 0 百公里加速时间( s ) 1 8 性能指标 爬坡度( ) 2 5 百公里能耗( k 肌) = 1 5 快慢充电速度( h ) 0 5 6 车辆爬坡时所需的峰值功率 电动汽车在爬坡行驶时，受到电动汽车行驶时候得滚动阻力、空气阻力和坡 道阻力，作用在电动车上的阻力与电动车的驱动力保持平衡，其平衡方程式为： z = + 己+ 鼻 ( 2 1 ) 式中f 电动汽车驱动力； 只电动汽车行驶时的滚动阻力； f 电动汽车行驶时的空气阻力； 尸汽车行驶时的坡道阻力。 爬坡时电机输出扭矩：m = ( f ，) ( f 叩) ( 2 2 ) 电动汽车爬坡时电机输出功率：p = m 【( 圪f ) ( o 3 7 7 ，) 】9 5 5 0 ( 2 3 ) 通过计算得到车辆爬坡时电机的峰值输出功率为2 3 i 删，峰值转矩需要达到 1 4 5 m 2 5 1 。爬坡时电机的输出效率为7 7 ，此时电机输入功率：尸_ p o 7 7 。 电动车高速行驶所需的额定功率计算 电动汽车在平直路上以最高速度1 0 0 匀速行驶时，电动汽车行驶的阻力 与电动车电机驱动力保持平衡，阻碍电动汽车行驶的力有滚动阻力和空气阻力。 可以得到平衡方程式：f = 只+ f 。 ( 2 4 ) f = e = m 矿c o s 口+ 尝+ m 驴s i n 口 z 上1 ) 电动汽车高速行驶时电机的效率仇= 8 5 ，此时电机的输入功率p r = p o 8 5 。 车辆以1 3 0 龇高速行驶时，通过计算可以得到：电机的输出功率为2 0 7 k w ，转 矩为5 2 4 n m ，转速为3 5 0 0 r m i n ，以上参数为无风理想状况下的计算参数2 5 1 。 由于无刷直流电机的性能，其并不能在功率2 0 k w 时就能得到稳定的5 2n m 的转矩和3 5 0 0 r m i i l 的转速，因此这里选择额定输出功率为2 5 k w 的无刷直流电 机，能够在满足电动车高速行驶的情况下对电机的要求。在电动车爬坡时直流电 机可以过载到6 0 k w 的峰值功率，也能满足爬坡情况下对电机功率的要求。选用 额定功率2 5 k w ，峰值功率6 0 k w ，额定转速3 5 0 0 r m i n ，最高转速6 0 0 0 r m i n ，峰 值转矩1 7 0 n m 电机可以满足长安悦翔电动车的要求，同时电动车对电机的峰值转 速要求比长安悦翔降低了1 5 0 0 “m i n 。 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 2 2 3 变速器速比确定 p a m t 变速器可变档位有三档，但其中有一档为空挡，只有两个档位有固定 速比。根据电动汽车运行时的基本规律：爬坡档的速比较大，应能满足电动车高 输出扭矩的要求，同时电机也尽量能运转在常用低速段的高效率区；高速挡的速 比应较小，能够使车轮的转速满足车辆最高速度的需要，并能尽量降低电机的输 入轴转速，同时尽量使电机转速落在电机高速段运行时的高效率区域。减速比的 选择过程中还要考虑换挡过程尽量使车速平稳过渡，爬坡档和高速档的减速比不 应相差太大，否则可能会造成换挡时电机的输出总功率不能平衡。 行星减速器的低速挡速比可由最高车速确定，有 2 6 】：蠢竺丛( 2 5 ) 。 3 0 。 式中，乇为主减速比，咒一，为电机实际最高转速；r d 为轮胎滚动半径；为 最高车速。 另外，为使最大车速时电机能发挥出最大功率，f n 的选择还应满足： f n 0 3 7 7 型生( 2 6 ) ” 圪。 式中，z 。为电机基数转速。 考虑电动汽车的最大爬坡度大于3 0 ，有： ，1 一2 甄叼r m g ( f c o s 口+ s i n 口) + 三望坐 ( 2 7 ) 一 。 2 1 1 5 根据计算，低速档减速比选择1 ，高速挡减速比选择5 符合电动车运行的要求。 考虑到变速器后端还连接了一个减速比为5 的差速器，因此在低速挡时，整车的 实际减速比为5 术5 = 2 5 ，在高速挡时，整车实际减速比为1 半5 = 5 。 2 3p a m t 变速器结构 p a m t 变速器是由行星轮系和电控换挡装置组成。在普通n g w 型2 k - h 负 号机构固定减速比减速器的基础上，增加电控自动换挡装置、同步器，改变行星 传动轮系内齿圈上的转矩，以达到换挡的目的。 其换挡装置由小电机、丝杆螺母机构、拔叉和两个渐开线花键对组成。在壳 体处安装有一个大内花键圈，输入轴和内齿圈的外圈处分别有一个同种型号的小 外花键圈，在外齿圈处有一个小内花键与其小外花键配合，这个小内花键的外圈 加工有大外花键，可与安装在变速器壳体处的大内花键相配合，它在外齿圈的小 外花键上滑动。滑动花键向右滑动时，小内花键与内齿圈上的小外花键相配合， 滑动的大外花键与固定在壳体上的大外花键配合，因此内齿圈被固定，此时减速 比根据n g w 行星轮系计算；滑动花键向左滑动时，其小内花键与电机输入轴上的 小外花键相配合同时也与内齿圈上的小外花键配合，相当于电机直接带动内齿圈 转动，内齿圈与太阳轮转速相同，转动方向相同，行星轮系变为差动轮系，减速 重庆大学硕士学位论文 2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 比根据差动轮系计算。该变速器的输入端必须为电机传动，是专门针对小型纯电 动汽车、串联式混合动力汽车和燃料电池汽车设计的变速器。其结构如图2 5 所示。 图2 5p 蝴t 结构图 f i g 2 5p - 创ts 咖c n l r e 1 输出轴2 行星架3 行星轮4 太阳轮5 内齿圈6 减速器壳体7 小步进电机 8 联轴器9 丝杆1 0 螺母u 拔叉1 2 大内花键1 3 滑动花键1 4 减速器后盖 1 5 太阳轮底座1 6 输入轴 滑动花键( 1 3 ) 由拔叉( 1 1 ) 带动其在外齿圈( 3 ) 上滑动，拔叉和螺母( 1 0 ) 固定，由步进电机控制丝杆转动，螺母带动拔叉在丝杆上做直线运动，同时拔叉 带动滑动花键( 1 3 ) 在内齿圈( 3 ) 的外花键上滑动。内齿圈( 3 ) 与输入轴( 1 6 ) 间可相互滑动。在输入轴( 1 6 ) 上有小外花键，其尺寸型号与内齿圈上的小外花 键相同，因此滑动花键可以向左移动使其内花键与之配合。当滑动花键滑向最左 端时，滑动花键的内花键圈同时与输入轴上的外花键和内齿圈上的外花键配合。 滑动花键圈左侧有一大外花键，在滑动花键向右滑动时，这个大外花键可与固定 在减速器壳体上的大内花键( 1 2 ) 相配合。 2 3 1 各档工作状态 p a m t 的换挡由小步进电机( 7 ) 控制，通过汽车控制面板上的换挡按钮，输 入换挡信号，传递给电子控制器，通过电子控制器再发送信号给小步进电机( 7 ) ， 小步进电机根据指令进行正转或反转，带动丝杆转动，使丝杆上的螺母带动拔叉 在丝杆上做直线运动，拔叉带动滑动花键在外齿圈的外花键上滑动控制外齿圈与 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 电动车驱动系统规划及p a m t 变速器结构 输入轴或壳体相连接。 当电动汽车需要换低速挡时，拔叉带动滑动花键滑向最右端，使内齿圈与 变速器壳体相连接，而壳体固定，无转速，因此内齿圈也固定。此时，电动车输 入电机带动输入轴转动，由于太阳轮( 4 ) 与输入轴( 1 6 ) 之间用矩形花键连接， 因此输入轴带动太阳轮转动。太阳轮转动，内齿圈固定，行星轮绕太阳轮转动， 行星轮绕太阳轮转动的转速就是行星架( 2 ) 的转速，行星架( 2 ) 与输出轴( 1 ) 之间用3 0 0 平根渐开线花键连接，带动输出轴转动，使输出轴输出转矩。此时系统 就是一个典型的n g w 型行星轮系，输出减速比为1 + z 。z 。，z 。为外齿圈齿数，z 。 为太阳轮齿数。本系统内齿圈齿数为8 2 ，太阳轮齿数为2 1 ，因此，1 挡减速比为 5 。其转矩传递如下图红线所示： 图2 61 挡转矩传递路线图 f i g 2 6t h er o a do f t h e 觚td e 铲e et o r q u e 昀n s 锄d i 卿 当汽车换2 挡时，拔叉带动滑动花键滑向减速器最左端，使内齿圈与减 速器输入轴相连